具有正极性径向电场的Z箍缩负载结构

摘要

本发明涉及一种具有正极性径向电场的Z箍缩负载结构，该结构与传统负载结构的区别在于负载阴极结构的不同。本发明在传统圆柱结构负载阴极的基础上进行改进，将负载阴极结构改为向阳极延伸的柱桶状结构，当负载阴极改为柱桶状结构后，金属丝表面的径向电场主要受到负载阴极的影响，由于负载阴极电位更低，因此径向电场方向变为由金属丝表面指向负载阴极，从而可以抑制早期金属丝表面的电子发射，减缓冕等离子体的形成，增加电流在金属丝内部欧姆加热的时间，减弱核冕结构对聚爆过程乃至X射线辐射产生的不利影响。

说明书

技术领域

本发明属于实验装置，具体涉及一种Z箍缩负载结构。

背景技术

在Z箍缩实验中，脉冲功率源通常采用负极性放电。传统的负载结构中(G.S.Sarkisov,S.E.Rosenthal,K.W.Struve,T.E.Cowan,R.Presura,A.L.Astanovitskiy,A.Haboub,and A.Morozov.Physics of Plasmas.14,112701.(2007))，负载阴极与负载阳极几何形状可简化为两个相对放置的金属圆柱体，金属丝阵列位于两圆柱体之间。脉冲放电时，电子沿负载阴极流经金属丝回流至负载阳极，最终经过回流柱到达脉冲功率装置阳极。在上述几何结构的约束下，在电流上升的早期，金属丝表面必然受到负极性径向电场的作用，从而引起电子发射，随即在金属丝外侧形成低电阻率的等离子体冕区。电流由金属丝内部转移到冕区，金属丝内部的加热终止，形成了由冷丝核和热冕等离子体组成的“核冕结构”，原理可参考文献G.S.Sarkisov,P.V.Sasorov,K.W.Struve,D.H.McDaniel,A.N.Gribov,and G.M.Oleinik。PHYSICAL REVIEW E 66,046413.(2002)。这种核冕结构是引起聚爆过程中质量拖尾的重要原因，大大影响了箍缩产生的X射线辐射能量和功率。近年来，从事Z箍缩研究的相关工作者在努力克服上述核冕结构，提高X射线辐射产额。到目前为止，尚未见到同类负载装置的相关文献。

发明内容

本发明的目的是要提供一种具有正极性径向电场的Z箍缩负载结构，能够改变金属丝表面电场分布，解决金属丝内部能量沉积不足的问题。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供的具有正极性径向电场的Z箍缩负载结构，包括负载阳极、金属丝、回流柱和负载阴极，所述负载阳极与负载阴极同轴相对设置，负载阳极的直径大于负载阴极的直径；所述金属丝的一端与负载阳极连接，所述金属丝的另一端与负载阴极连接；所述回流柱位于负载阴极的外侧，所述负载阳极通过回流柱与装置阳极连接；

其特殊之处在于：所述负载阴极靠近负载阳极的一端设置有负载阴极延伸段，所述负载阴极延伸段呈柱桶状位于金属丝外侧，由负载阴极表面朝向负载阳极延伸。

上述负载阴极延伸段的延伸长度约为金属丝长度的一半,既保证金属丝表面径向电场能够有效转变为正极性，又可防止设备工作时阴阳极形成放电。

上述负载阴极延伸段设置有观测窗口。

上述负载阴极延伸段的内侧设置有用于阻挡阴极内侧发射的电子的绝缘膜。

上述绝缘膜的厚度为百微米级至毫米级。

本发明的优点是：

1、本发明正极性径向电场Z箍缩负载阴极结构作为Z箍缩实验中的一个重要改进，在于它可将金属丝表面所受的径向电场的极性由负值改变为正值，从而抑制早期金属丝表面的电子发射，减缓冕等离子体的形成，增加电流在金属丝内部欧姆加热的时间，从而减弱核冕结构对聚爆过程乃至X射线辐射产生的不利影响。

2、负载阴极内侧附有百微米厚度的绝缘膜。可以阻挡负载阴极向内侧发射的电子，防止其轰击到金属丝表面形成二次电子发射。

3、负载阴极延伸部分可允许一定的开口结构进行观测和诊断。而不会对已有电场分布产生不利影响。

附图说明

图1为具有正极性径向电场的Z箍缩负载结构示意图；

图2为负载阴极结构示意图；

图3a与3b为分别使用传统负载和本发明负载结构时的激光干涉诊断图像；

其中附图标记为：1-负载阳极、2-金属丝、3-绝缘膜、4-观测窗口、5-回流柱、6-负载阴极、7-装置阳极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细说明。

图1所示为具有正极性径向电场的Z箍缩负载结构示意图，包括负载阳极1、金属丝2、回流柱5、负载阴极6、装置阳极7，负载阳极1与负载阴极6同轴相对设置，负载阳极的直径大于负载阴极的直径；金属丝的一端与负载阳极连接，金属丝的另一端与负载阴极连接；回流柱位于负载阴极的外侧，负载阳极通过回流柱与装置阳极连接。负载阳极，设备阳极、回流柱等结构与传统负载相同。本发明的负载结构与传统负载结构的区别在于负载阴极结构的不同。在传统圆柱结构负载阴极的基础上进行改进，将负载阴极结构改为向阳极延伸的内空柱桶状结构，形成如图所示的空心壳体包围金属丝，延伸长度约为丝阵长度的1/2，利用柱桶状负载阴极内侧与金属丝之间形成的正极性径向电场延迟金属丝表面的电子发射。同时在负载阴极延伸部分内侧安装百微米至毫米厚度的聚丙烯薄膜，以阻止放电时负载阴极内侧发射的电子轰击到金属丝表面。负载阴极屏蔽结构上可以适当开口便于对金属丝进行观测。

本发明的原理：传统的负载结构中，负极性电流由负载阴极汇入，流经金属丝和回流柱最终到达装置阳极。回流柱和负载阳极、装置阳极均可假定为理想导体，此时金属丝呈负电位且沿轴向方向近似为线性分布(负载阳极处为零，负载阴极处最低，与离开负载阳极的距离呈正比)，此时径向电场方向由零电位的回流柱指向负电位的金属丝。当负载阴极改为柱桶状结构后，金属丝表面的径向电场主要受到负载阴极的影响，由于负载阴极电位更低，因此径向电场方向变为由金属丝表面指向负载阴极。

该负载装置目前在西安交通大学1kA装置上的金属单丝电爆炸实验进行了试验，试验时，负载阴极6与实验装置负极性放电端相连，装置阳极7与装置外壳即零电位相连。金属丝2参数为直径15μm的钨丝，表面覆有2μm厚的聚酰亚胺。实验装置工作时，幅值约1kA，前沿约10ns的负极性电流由负载阴极6流经 金属丝2，流入负载阳极1。由于柱桶状负载阴极6的存在，在金属丝2表面形成正极性的径向电场，延迟其表面的电子发射，达到增加金属丝2内部能量沉积的目的。通过激光探针诊断表明，与传统负载结构相比，使用本发明负载时，金属丝沉积能量明显增加，膨胀均匀性更佳。

实验结果

图3a与3b为分别使用传统负载和本发明负载结构时，1kA，10ns实验平台上的镀膜钨丝激光干涉诊断图像。由图可见，传统负载时金属丝仅有约一半长度能量沉积较为明显，另一半几乎没有膨胀。而使用本发明负载结构后，金属丝沉积明显更加均匀。